高压静电场中油液射流特性的实验研究

依据静电学和液体荷电的基本原理,分析了高压静电场中荷电油液在射流区、过渡区和雾化区的特性,提出射流长度,雾化角和液滴粒径分布是描述液体荷电射流特性的主要指标.通过自行设计和组装实验装置,分别探讨了不同电压下油液的射流长度和雾化角随电压的变化关系以及液滴粒径在电场中的分布规律.研究表明:射流长度随着电压的增大,总趋势是减小的,但在不同区域,电压对射流长度的影响不同;雾化角随电压增大到一定程度后,逐渐减小,最后趋于稳定;液滴的粒径随着电压的升高不断减小,当电压在65kV左右时,粒径较小且分布最为均匀.     

水滴变形及其对阻力特性影响的实验研究

为了探索飞机结冰研究中水滴撞击过程的变形行为发生机理和本质特征，提高结冰数值模拟的精准度，利用高速相机对水滴加速运动过程的变形现象进行了实验研究。通过研究，定义了水滴变形过程的4个典型形态，分析了水滴变形与各无量纲量的关系，拟合了水滴变形后的阻力系数曲线和计算式。研究表明:水滴在气动力作用下会发生显著的变形现象，依次历经圆球形、椭球形、半球形、圆盘形4种典型形状；水滴的纵横比随韦伯数(We)的增大呈线性减小，随邦德数(Bo)的增大呈双曲线减小；水滴变形会导致其阻力系数增大，在Re=500左右时，水滴阻力系数曲线开始脱离球形阻力系数曲线，逐渐增大至接近圆盘形阻力系数曲线，这与其变形过程一致。     

液体圆柱射流在气流中的破碎特性实验研究

本文采用高速相机对低速横向气流作用下的圆柱射流表面波发展及液柱断裂和破碎进行观察研究。实验喷嘴为直射式，孔径为1mm，长径比为20。工质采用水和空气；工况为:温度293K，液体射流速度为2~20m/s，雷诺数为2400~22400，横向气流速度为10~40m/s，气流韦伯数为1.6~25.6，液气动量比为5~127。高速相机帧幅为2000，曝光时间为16s。通过实验观察到横向气流气体韦伯数的变化导致射流破碎形式呈现不同形式变化，液体射流的无量纲表面波波长与气流韦伯数的-0.31幂指数方成正比；主液柱断裂点沿横向气流方向的距离随着液气动量比的增大而减小，而沿初始射流方向的距离随液气动量比的增大而增大；断裂后产生的液滴在沿横向气流方向的速度分量为横向气流速度的0.1倍左右，而沿初始液体射流方向的速度分量先呈现出与液气动量比线性增长关系，直到其变为射流初始速度的0.8倍左右并保持在这一水平。在上述研究基础上，本文拟合了低速射流表面波的波长与气流韦伯数间关系式以及射流破碎位置、射流轨迹及液柱断裂产生液滴的速度与射流初始条件间的数学关系。     

航空铝合金点蚀形貌对应力集中系数影响量化分析

开展航空7B04铝合金试件模拟机场环境的加速点蚀试验,获得点蚀损伤数据,定义点蚀蚀坑表面长度、宽度及蚀坑深度分别由A、B、C三个参量表示,此三个参量之间比例关系可确定典型蚀坑形貌特征。在此基础上,采用ABAQUS软件对一定载荷条件下典型形貌特征蚀坑的应力集中系数Kf进行量化分析。研究表明,随着点蚀周期延长,点蚀形貌逐渐呈表面椭圆、深度适中特点,量化结果为大部分B/A、C/A的值介于1和4之间,其最大值分别很少超过8和10;应力集中系数受点蚀形貌特征影响明显,表面形状一定时,应力集中系数Kf随蚀坑深度增加而增加;蚀坑深度一定时,应力集中系数Kf随蚀坑宽度增加而降低。上述结论可为飞机铝合金结构腐蚀疲劳寿命分析奠定理论基础。     

正弦波激励下刚性开孔结构内压响应特性实验

利用声音振动发生原理研制了专门用于内压机理研究的实验装置,对单一开孔的刚性结构在正弦波气压激励下的内压动力特性进行了多参数对比实验.实验研究结果表明:开孔结构在外部动压力作用下会发生腔体共振,随开孔面积增大,腔体共振频率增大阻尼比减小;随孔口深度及内部容积增大,腔体共振频率减小阻尼比增大;对于深宽比很小且开孔面积相同的孔口,孔口形状对腔体共振频率影响不大,对阻尼比有一定影响.     

冲击作用下液滴在环境液体中的变形破碎行为

采用基于液-液体系的坠落实验装置对冲击作用下单个液滴在环境液体中的变形破碎行为进行了实验研究。针对高速摄影捕捉到的5种液滴典型变形破碎模式进行了定量化考察和规律性分析。结果表明，液滴初始直径、液滴与环境液体的密度比和粘度比、界面张力系数以及坠落高度等实验参数相互组合可以得到相似的实验结果，其中We数是区分液滴变形破碎模式的关键参数。进一步研究液滴变形破碎模式与无量纲参数的依赖关系发现，在1 < We < 700、0.001 < Oh < 0.005的实验条件范围内，液滴变形破碎模式与Oh数无明显依赖关系，而在We数相近情况下，液滴变形破碎模式呈现明显的相似性。     

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术，研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程，获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小，不会对液滴的铺展过程产生明显影响；在较低的撞击速度下，柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素，且随着柔性材料弹性模量的减小而增大，因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小；当撞击速度增大后，粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低，液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高，柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

环形液池浮力-热毛细对流表面振荡现象的临界温差

对于上部开口的环形液池,加载径向温度梯度将使气液接触面上表面张力分布不均匀,耦合于地面的重力作用,将会驱动薄层流体形成浮力-热毛细对流.当径向温度差△T达到某一临界值△Tc时,一定厚度的液层表面就会出现具有一定规律的振荡现象.实验采用高精度激光位移传感系统,测量了液池表面某点位移随液层厚度h和径向温差△T的变化曲线,讨论了浮力-热毛细对流表面振荡的临界温差及两种驱动力的耦合问题,进行了表面畸变参数的无量纲分析,考虑了起始环境温度对临界温差的影响,推导了振荡相对较强时液层的厚度范围.     

液滴接触变形对融合过程影响的实验研究

采用一种产生大尺寸液滴和顶视视角观测的新方法，借助高速阴影系统，捕捉到液滴融合过程中液桥截面形态的变化。从光学观测的角度验证了以前电测法所得到的初期融合过程描述。利用顶视方法所特有的辨别液桥几何形状、中心位置等优势，观测了不同液滴靠近速度（v_a）下2种融合模式。根据液桥中心演变特征分别判定为中心融合和边缘融合模式，并发现两者之间存在一临界液滴靠近速度（v_cross），当v_a < v_cross时，融合过程始于接触中心，而当v_a >v_cross时，融合自液滴挤压形成的液膜边缘开始，与融合前液滴接触变形密切相关。     

球形容器小口泄爆压力变化特性

以甲烷-空气预混气体为实验介质,研究了22L球形容器在小口有约束和无约束泄爆条件下,不同无量纲泄压比时的泄爆压力变化特性.研究发现:有约束泄爆时,当破膜压力保持不变,随着无量纲泄压比的减小,球形容器的最大泄爆压力和最大泄爆压力上升速率均增加;无量纲泄压比大于一定值时为平衡泄爆,否则为非平衡泄爆;有约束泄爆时,当无量纲泄压比大于0.009而小于0.025时,泄爆有着明显的效果,泄压是完全有效的;当无量纲泄压比大于0.00169而小于0.00900时,最大泄爆压力与密闭爆炸压力接近,泄爆效果较差;当无量纲泄压比小于0.00169时,最大泄爆压力略大于密闭状态下的爆炸压力;无约束泄爆时,不同无量纲泄压比的最大泄爆压力均低于密闭状态下的爆炸压力.实验结果为工业生产中球形容器的泄爆安全设计提供科学依据.     

不同液池深度下液滴撞击成泡现象

液池内液滴撞击成泡现象广泛存在，具有重要科研价值。利用高速摄像技术，测试了液滴从3~15m高度下落撞击不同深度液池时的液面成泡现象，给出了液池深度和液滴韦伯数We对撞击成泡的影响规律。结果表明:液滴撞击浅液池时，可以在撞击中心处形成1个圆泡，但撞击深液池时，则会先形成环形水泡，进而发展成1或2个圆泡，且成泡位置并不在撞击中心位置；在液滴撞击速度、液池深度、回落二次液滴等因素影响下，液滴撞击成泡现象呈现复杂的概率分布特性。     

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布.结果发现:增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布.该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据.     

结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心设备,其雾化喷嘴的性能直接影响结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。结冰风洞运行过程中的压力、温度、风速以及雾化水滴的温度、初始粒径等均会对进入试验段的云雾参数的最终状态产生影响。在0.3m×0.2m 结冰风洞和喷嘴低压试验台上,针对不同风洞运行环境对喷嘴雾化性能的影响进行研究,测量了风洞运行的压力、气流速度、雾化水滴的温度、初始粒径等对粒子蒸发速率及喷嘴性能包线的影响。研究结果表明:风洞的气流环境对云雾粒子的 MVD值影响较大;风洞的气流速度及粒子的初始温度越高,云雾粒子的雷诺数越大,其蒸发速率越大;环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大,随着环境压力的降低,喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄,但对喷嘴的流量影响不大。     

结冰风洞过冷大水滴粒径测量初步研究

过冷大水滴粒径测量方法是结冰风洞过冷大水滴云雾模拟能力的关键组成部分。为评估双通道机载式相位多普勒干涉仪（PDI-FPDR）的过冷大水滴粒径测量能力，利用标准液滴流发生器产生特定尺寸的大粒径液滴流，评估PDI-FPDR的液滴粒径测量不确定度；针对真实大粒径喷雾，同时采用Malvern粒度分析仪和PDI-FPDR测量喷雾粒径特征参数，对比评估PDI-FPDR的大粒径喷雾测量能力。结果表明:PDI-FPDR小粒径通道无法准确测量大尺寸液滴，测量结果显著小于真实液滴粒径（测量粒径189.0 μm的液滴，相对误差为-72.8%）；大粒径通道可以较为准确地测量大尺寸液滴，但精度较差（测量粒径240.5 μm的液滴，相对误差为-5.1%，最大偏差50.2 μm）；对于典型大粒径喷雾，PDI-FPDR小粒径通道测量中值体积直径（MVD）大于75 μm的喷雾适用性较差，大粒径通道的MVD测量值与Malvern粒度分析仪相比偏大。     

离轴全息成像测量三维气动旋流低温雾化场

为研究低油温工况下气动旋流雾化喷嘴近场雾化特性，建立了25 kHz皮秒脉冲激光离轴全息系统，对1 kPa气压、0.03 MPa油压和–40～28 ℃油温工况下喷嘴下游30 mm内近场雾化过程进行了三维可视化测试。实验获取了包含非球形液滴的近喷嘴雾化场清晰图像，记录了液膜袋状破碎与液丝分解等典型雾化动态过程。通过颗粒识别与定位，获取了雾化场中尺寸30～1500 μm的液滴粒径及三维位置，统计得到雾化场索特平均直径（SMD）的三维分布信息。研究发现:在气压1 kPa、油压0.03 MPa工况下，液滴粒径主要分布在200 μm以内，其中30～40 μm粒径占比最高，均在15%以上；三维粒径分布表现为雾锥中央粒径较大，边缘区域粒径较小；油温降低对雾化效果恶化显著，使雾锥体积缩小、雾化液滴密度降低且均匀性下降；油温从28 ℃降至–20 ℃时，下游截面中心粒径从300 μm左右增大至450 μm以上，局部大于650 μm；–40 ℃时，喷嘴下游出现大型液柱与多枝状液膜、液丝结构，燃油分解破碎距离进一步延长。实验结果证实了高速离轴全息技术在低油温工况下喷嘴近场雾化特性三维可视化诊断中的可行性，获取的雾化场三维参数可为喷嘴结构设计优化及雾化模型研究提供数据参考。     

环形水射流流场的实验研究与统计分析

在11、12和15MPa射流压力下对环形自由水射流流场进行实验研究,以获得该射流场的能量特征与液滴尺寸分布规律.运用相位多普勒粒子测速(PDPA)技术对射流流场中的速度分布和液滴粒径分布进行测量,并对通过不同位置控制体的单个液滴行为进行了统计分析.研究表明:环形射流流束中心存在着较宽的高速区域,且射流能量沿着射流方向衰减缓慢;距离喷嘴的轴向距离越大,射流横断面上的速度与液滴粒径分布越平坦;射流压力对流束中心的轴向速度变化影响较大,对液滴粒径分布的影响不明显;射流流束中心区的湍流脉动较弱,但通过位于射流中心位置的控制体的液滴粒径谱较宽.     

浅水平板半岛尾流特性的实验研究

对于尾流的研究大都局限于岛屿型绕流体在展向非常长的情况,但是在天然环境和水利工程中出现的多为水深相对很浅的流动,并且很多是绕半岛形建筑物的流动。由于底部摩阻和壁面边界的限制,浅水域中的半岛尾流有着一些特殊的流动规律。笔者采用数字粒子图像测速(DPIV)技术,在长30m、宽3.5m、高1m的水槽中比较系统地测量了浅水中绕平板半岛的尾流区流场,分析了大尺度旋涡的运动规律,得到了控制尾流流动形式的稳定性参数的临界范围。     

液滴碰撞超声振动曲面的实验研究

通过实验研究了超声振动曲面上液滴碰撞的动力学行为。对边缘飞溅、表面飞溅以及毛细波、空化和子液滴回弹等复杂物理现象的产生机理和条件进行了分析，得到了超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界曲线，并发现由于气动力的作用，超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界超声振幅要小于平面情况。利用图像处理技术得到了不同条件下超声振动曲面对碰撞液滴的驱离效率以及飞溅液滴的尺寸分布。实验结果表明:碰撞液滴的驱离效率随振动曲面超声振幅的增大而增大，且呈线性增长；在高速碰撞中，碰撞速度几乎不影响超声振动曲面的液滴驱离效率；随着超声振幅的增加，飞溅液滴的平均尺寸增加。通过常温液滴与过冷液滴的碰撞实验对比，发现温度对超声振动曲面上液滴的动态碰撞过程影响较小。在过冷条件下，液滴驱离效率会略低于常温条件下，但仍能够持续有效地将液滴驱离表面，从而抑制冰层的增厚，说明超声振动曲面具有防水防冰的应用潜能。